Jeżeli godzina przestoju maszyn kosztuje zakład produkcyjny 10 tys. USD, nietrudno udowodnić, że zastosowanie niedrogiego, zintegrowanego systemu bezpieczeństwa pozwoli zaoszczędzić czas oraz zaowocuje dłuższą sprawnością maszyn.
Koszt posiadania może się znacznie różnić od ceny zakupu produktu. Powyższy wykres ujawnia, że całkowity koszt posiadania zintegrowanych systemów zabezpieczeniowych sterowników PLC jest odwrotnie proporcjonalny do zakresu ich funkcjonalności
Coraz częściej nadzór nad bezpieczną pracą maszyn powierza się nowoczesnym systemom zabezpieczeń, spełniającym wymagania międzynarodowych norm. Zarówno producenci maszyn, jak i ich odbiorcy, mogą obecnie przebierać w ofercie rozwiązań zabezpieczeniowych, począwszy od zaawansowanych systemów zakładowych, a skończywszy na najprostszych układach przekaźnikowych.
Do najnowszych propozycji w tej dziedzinie zaliczają się zintegrowane, sieciowe systemy bezpieczeństwa oparte na niezawodnych sterownikach PLC. Tradycyjne rozwiązania wymagające prowadzenia licznych kabli stopniowo zastępują sterowniki PLC, szyny, układy we/wy i tym podobne urządzenia, zaprojektowane i wytworzone zgodnie z wytycznymi IEC oraz przetestowane przez liczące się krajowe laboratoria.
Najważniejszą zaletą zintegrowanych, automatycznych systemów zabezpieczeniowych maszyn jest szerszy zakres ochrony operatorów. Według danych amerykańskiego krajowego instytutu BHP – National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) – częściej od wypadków śmiertelnych związanych z pracą przy maszynach zdarzają się jedynie wypadki drogowe. Liczba ofiar wypadków przy maszynach przekracza liczbę samobójców oraz ofiar śmiertelnych upadków i porażeń prądem.
Normy bezpieczeństwa narzucają korzystne zmiany
Warto odnotować nowości w dziedzinie bezpieczeństwa pracy przy maszynach w normach amerykańskiej krajowej agencji pożarnictwa – National Fire Protection Agency (NFPA). Jesienią 2002 r. opublikowała ona nową wersję normy NFPA 79, zawierającą wytyczne w zakresie zastosowania awariobezpiecznych (konstrukcyjnie przeznaczonych do zapewnienia bezpieczeństwa pracy) sterowników PLC i szyn w aplikacjach zabezpieczeń.
Narzuca ona również wymóg przeprowadzenia analizy ryzyka w odniesieniu do wszystkich maszyn, a także traktuje przyciski alarmowe jako elementy systemu bezpieczeństwa. Wszystkie tego rodzaju urządzenia zabezpieczeniowe mogą być zatem instalowane na „bezpiecznej” szynie.
W następstwie tych zmian w zakładach produkcyjnych zaczęto zastępować przekaźniki z trwale poprowadzonym okablowaniem obwodami zabezpieczeniowych sterowników PLC z wbudowaną funkcją bezpieczeństwa. Stosowanie urządzeń wyposażonych w taką funkcję pozwala znacząco zmniejszyć koszty, ich wdrożenie zajmuje mniej czasu, a maszyny są dłużej sprawne.
Analiza ryzyka
W 2004 r. zatwierdzono normę ANSI B11 TR4-2004 zawierającą wytyczne w zakresie stosowania urządzeń i oprogramowania w aplikacjach bezpieczeństwa. Ten i inne dokumenty powołują się na normy IEC 61508, 62061, 60204-1 oraz EN 954-1 (zostanie wycofana w przyszłym roku, zastąpi ją norma ISO 13849-1 2006), z których część zawiera wymóg przeprowadzenia formalnej analizy ryzyka w celu ustalenia metod jego ograniczenia.
Wspomniana analiza ryzyka to nic innego, jak sformalizowany zbiór działań, jakie od dawna realizowano w wielu przedsiębiorstwach, mimo że nie traktowano ich dotąd w kategoriach normy. Specjaliści uznali jednak konieczność przeprowadzenia starannej analizy oraz przestrzegania zasad bezpieczeństwa pracy zgodnie z wymogami amerykańskiego urzędu ds. BHP – Occupational Safety and Health Administration (OSHA) – w celu zapewnienia bezpieczeństwa w miejscu pracy.
Aby ocenić potencjalne zagrożenia wynikające z pracy danej maszyny we wszystkich trybach i przy wszelkich operacjach, należy obecnie dokonywać formalnej oceny ryzyka, opisanej w normie ANSI Z10 pt. “Systemy zarządzania BHP” z 2005 r. Uaktualnienia w dziedzinie wymaganej oceny ryzyka oraz odniesienia do bardziej szczegółowych norm pojawiły się także m.in. w dokumentach ANSI PMMI B155 2006 i S2, stosowanych w przemyśle półprzewodnikowym.
Proces oceny ryzyka służy określeniu stopnia zagrożenia dla operatora, pracowników utrzymania ruchu, a nawet osób znajdujących się w pobliżu maszyny. Pracownik przeprowadzający taką ocenę musi być odpowiednio wyszkolony, a także znać wymogi stosownych przepisów i norm odnoszące się do eksploatacji i wytwarzania maszyn.
Ocena potencjalnych zagrożeń związanych z maszyną i jej otoczeniem pozwala zakładom produkcyjnym określić zakres koniecznych zmian pod kątem stosownych przepisów oraz zredukować stopień zagrożenia dla operatorów maszyn. Jeżeli zdarzy się wypadek, inspektorzy OSHA sprawdzają, jakie działania zostały podjęte przez pracodawcę pod kątem zapewnienia bezpieczeństwa w miejscu pracy. W takim przypadku protokół oceny ryzyka poświadcza, że w zakładzie pracy podjęto działania mające na celu wykrycie i skorygowanie wszelkich uchybień wobec norm.
Z perspektywy nie pojedynczego zakładu, ale globalnego rynku, sytuacja przedstawia się w ten sposób, że producenci maszyn eksportujących swoje wyroby na rynek europejski doskonale wiedzą o konieczności dostarczenia kompletnej dokumentacji oceny ryzyka.
Oferta rozwiązań zabezpieczeniowych
Przyjęcie skutecznej strategii w dziedzinie bezpieczeństwa pracy może zadecydować o przewadze konkurencyjnej przedsiębiorstwa. Najnowsze zmiany w normach bezpieczeństwa otworzyły drogę nowoczesnym rozwiązaniom, niedostępnym przy starszych przepisach. Wybór odpowiedniego rozwiązania zabezpieczeniowego może zaowocować skróceniem cyklu dostarczania produktu na rynek, zwiększeniem produkcji, a także obniżeniem całkowitego kosztu posiadania systemów bezpieczeństwa pracy, co przekłada się na wyższe wskaźniki efektywności maszyn i urządzeń (OEE) oraz zwrotu z aktywów.
Warto rozważyć następujące rozwiązania w zakresie bezpieczeństwa pracy:
- Wyspecjalizowane przekaźniki zabezpieczeniowe. Urządzenia te, od dziesięcioleci stanowiące podstawę obwodów bezpieczeństwa, znajdują zastosowanie także i dziś. O ile jednak system wyspecjalizowanych przekaźników z powodzeniem zapewnia bezpieczeństwo zgodnie z wymogami norm, to jednak całkowite koszty jego posiadania nierzadko przewyższają korzyści. Okazuje się, że przekaźniki te ogromnie utrudniają monitorowanie maszyn oraz identyfikację źródeł awarii. Pojedyncza maszyna może być wyposażona w 20 wyłączników, a każdy musi gwarantować jej zatrzymanie. Okablowanie wyłączników tradycyjnie prowadzono szeregowo z uwagi na koszty przewodów, wobec czego niemało kłopotu ma operator poszukujący przyczyny rozłączenia. Z powodu tej konwencjonalnej metody okablowania w wielu zakładach samo zdiagnozowanie problemu trwa od 10 do 20 minut.
Zintegrowane systemy zabezpieczeniowych sterowników PLC nie zaliczają się wprawdzie do najtańszych rozwiązań, jednak gwarantują porównywalny stosunek zakresu funkcjonalności do kosztu zakupu
Ponadto przy takiej konfiguracji operatorzy przy użyciu krótkich „złączek” często obchodzą przekaźniki zabezpieczeniowe, co teoretycznie ma na celu ułatwienie pracy: otwarcie drzwi czy przejście przez kurtynę świetlną nie spowoduje zatrzymania maszyny. Usprawiedliwieniem dla takich działań ma być wyższa efektywność pracy i skrócenie przestoju, ponieważ technik utrzymania ruchu może szybciej dostać się do odpowiednich elementów maszyny lub pracować przy niej, nawet jeśli nie została zatrzymana. Mimo dostrzegalnych korzyści z tego rodzaju praktyk obchodzenie obwodów bezpieczeństwa samo w sobie przyczynia się do powstania zagrożenia oraz stanowi poważne wykroczenie przeciwko zasadom bezpieczeństwa pracy. Na szczęście nowsze rozwiązania uniemożliwiają postępowanie na skróty, dzięki czemu są po prostu bezpieczniejsze.
- Przekaźniki zabezpieczeniowe połączone w sieć. Urządzenia te znacząco obniżają koszt aplikacji w jednej lub kilku strefach, ponieważ każde z nich jest podłączone do całego obwodu bezpieczeństwa i działa w powiązaniu ze wszystkimi pozostałymi. Taka konfiguracja istotnie redukuje koszt okablowania oraz umożliwia monitorowanie zdarzeń i szybkie wykrywanie źródeł awarii. Rozwiązanie to sprawdza się także w przypadku systemów zabezpieczeniowych o nieskomplikowanej strukturze (nadzór nad dwiema lub trzema strefami bezpieczeństwa). Niestety przekaźniki zabezpieczeniowe połączone w sieć mogą się nie sprawdzać w bardzo złożonych systemach, w których warto ograniczać zakres niezbędnego programowania. Jednak na przykład w sieci ASIsafe mogą pracować setki urządzeń, które w sposób opłacalny łączy się w sieć, zapewniając nadzór nad funkcjami bezpieczeństwa oraz ich monitorowanie.
- Wyspecjalizowane sterowniki zabezpieczeniowe PLC. Jeżeli do sterowania maszyną wykorzystuje się sterownik PLC, dodatkowe bezpieczeństwo zapewni wyposażenie jej w zabezpieczeniowy sterownik PLC. Skomunikowanie sterownika zabezpieczeniowego z zarządzającym oraz wykorzystanie istniejącego programu PLC poszerza zakres monitorowania. Wadą tego rozwiązania jest koszt dodania sterownika oraz konieczność opanowania kolejnego języka programowania wraz z czynnościami związanymi z uruchomieniem urządzenia, eliminacją usterek i konserwacją.
- Zintegrowany, uproszczony system bezpieczeństwa. Połączenie funkcjonalności systemu sterowania i systemu bezpieczeństwa w jednym sterowniku PLC umożliwia znaczące ograniczenie kosztów życia maszyny. Dostępne są już sterowniki zabezpieczeniowe, w których zintegrowano funkcje sterowania i bezpieczeństwa, a w wielu aplikacjach przyczyniły się one do oszczędności rzędu milionów USD w pozycji kosztów całkowitych. W zintegrowanym systemie bezpieczeństwa dane przesyłane do interfejsu HMI umożliwiają szybkie i łatwe wyszukiwanie oraz eliminację źródeł awarii. Rozwiązanie to upraszcza zadania związane ze sterowaniem maszyną i zapewnieniem bezpiecznej pracy zarówno na etapie projektowania i instalacji, jak i w trakcie rozwiązywania problemów.
Projektowanie i wdrożenie jest prostsze, ponieważ do obsługi obwodów sterowania i bezpieczeństwa służy ten sam język programowania. Uproszczenie okablowania wynika z faktu, że sieci bezpieczeństwa służą zarówno do monitorowania wszystkich urządzeń podłączonych w obwodzie bezpieczeństwa, jak i do sterowania nimi. Liczba przeprowadzonych procedur identyfikacji źródeł awarii nierzadko spada o 60–80%, ponieważ każde urządzenie w sieci komunikuje się za pośrednictwem tego samego interfejsu HMI. Niepodważalne zalety sprawiają, że takie rozwiązanie znacząco skraca czas przestojów oraz obniża koszty związane z awarią.
Ponadto zintegrowany system bezpieczeństwa niemal całkowicie wyklucza możliwość „skracania” obwodu bezpieczeństwa poprzez obchodzenie urządzeń zabezpieczeniowych (także czujników drzwi czy kurtyny świetlnej) za pomocą wspomnianych złączek.
W przeprowadzonym niedawno badaniu ujawniono istotne oszczędności, jakie wynikają z porównania nowych i tradycyjnych metod implementacji systemów bezpieczeństwa i automatyki. Pod uwagę brano kwestie projektowania sprzętu, programowania, kosztów sprzętu oraz budowy, montażu i okablowania w miejscu instalacji. Przedstawione na powyższym wykresie wyniki wskazują na oszczędności we wszystkich kluczowych obszarach, wynoszące łącznie 42% netto na wyposażeniu układów automatyki i zabezpieczeń w każdej wyprodukowanej maszynie
Zintegrowany system bezpieczeństwa zmniejsza koszty eksploatacji
Analizując ofertę rozwiązań zabezpieczeniowych dla danej aplikacji, należy brać pod uwagę całkowite koszty cyklu życia produktu lub systemu – nie kierując się wyłącznie ceną zakupu. W grę wchodzą m.in. następujące zagadnienia:
Projektowanie. Ile czasu zaoszczędzą projektanci dzięki połączeniu funkcji bezpieczeństwa i sterowania w jednym systemie? Zastosowanie jednego sterownika PLC ogromnie upraszcza zagadnienia mechaniczne, elektryczne i programistyczne.
Okablowanie. Instalacja zintegrowanego systemu to o wiele mniejszy wydatek niż prowadzenie stałego okablowania. Przesyłanie danych dotyczących bezpieczeństwa i produkcji w obrębie jednej sieci (typu ASIsafe lub PROFIBUS) oznacza, że tego rodzaju architektura wymaga zastosowania tylko jednego kabla – nie setek czy tysięcy kabli i złączy.
Zdaniem pewnego inżyniera elektryka zatrudnionego w zakładzie produkcji maszyn pakujących, okablowanie i uruchomienie bardziej skomplikowanej maszyny zajmuje sześciu elektrykom ponad 368 godzin. Z kolei integracja układów we/wy obwodów sterowania rozproszonego i bezpieczeństwa eliminuje konieczność wytwarzania dodatkowego wyposażenia i zmniejsza złożoność produktu, a okablowanie takiej wersji systemu zajmuje dwóm elektrykom zaledwie 96 godzin.
Producenci mogą już integrować elektroniczne, programowalne systemy bezpieczeństwa bezpośrednio w serwonapędach, co umożliwia pracę maszyny przy bezpiecznej szybkości mimo obecności operatora w przestrzeni roboczej. Jest to dalszy krok w kierunku ograniczenia liczby kabli i złączy, a tym samym uproszczenia produktu oraz obniżenia kosztów projektowania, produkcji i instalacji.
Zastosowanie pojedynczego sterownika PLC nie okaże się strzałem w dziesiątkę tylko w przypadku maszyn wymagających użycia zaledwie jednego lub dwóch przekaźników zabezpieczeniowych. W pozostałych aplikacjach rozwiązanie to szybko dowiedzie ogromnej przewagi nad tradycyjnymi metodami z dużym udziałem stałego okablowania.
J.B. Titus jest starszym konsultantem ds. bezpieczeństwa oraz specjalistą ds. produktów zabezpieczeniowych w firmie Siemens Energy & Automation. Od początku swojej kariery w tej firmie w 2003 r. zorganizował on program promocji rozwiązań zabezpieczeniowych w amerykańskich zakładach produkcji dyskretnej. W ciągu minionego ćwierćwiecza doradzał przedsiębiorstwom w dziedzinie zgodności maszyn z wymogami bezpieczeństwa. Bierze również udział w pracach kilku komitetów normalizacyjnych ANSI, NFPA oraz NEMA w dziedzinie BHP.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
Autor: J.B. Titus
